Silicon waveguides with graphene: coupling of waveguide mode to surface plasmons

Abstract

Silicon waveguides with graphene layers have been recently intensively studied for their potential as fast and low-power electro-optic modulators with small footprints. In this paper we show that in the optical wavelength range of 1.55 mu m, surface plasmons supported by the graphene layer with the chemical potential exceeding similar to 0.5 eV can couple with the guided mode of the silicon waveguide and affect its propagation. On the other hand, this effect might be possibly utilized in technical applications like a very low-power amplitude modulation, temperature sensing, etc.

Křemíkové vlnovody s grafenovými vrstvami jsou intezívně studovány z důvodů možného využití při elektrooptické modulaci světla. Výhodou takových modulátorů je vysoká rychlost, malé rozměry a nízký požadovaný příkon. V článku ukazujeme, že v modulátorech pracujících na vlnové délece 1550 nm může dojít k vazbě mezi vlnovodným modem a povrchovým plazomenem šířícím se na grafenu, pokud chemický potenciál přesahjuje 0.5 eV. Vazba má silný vliv na šíření modu, a proto by mohla být využita při konstrukci velmi citlivých modulátorů a senzorů.